近几十年来，气候变化、快速城市化和土地利用转变的综合作用显著增加了社会面临自然灾害的风险[1,2]。其中，包括洪水、滑坡和风暴在内的水文气象极端事件不仅发生频率高，而且对人类居住区、基础设施系统和区域经济造成的破坏最为严重[3,4]。
洪水现已被公认为全球最具破坏性的自然灾害之一[5][6][7]。它们导致大量人员伤亡、关键基础设施受损、经济活动中断以及长期的社会经济衰退[8,9]。国际灾害数据库和历史记录一致表明，洪水事件的频率和强度都在增加，主要受气候变率和人为因素的影响[10][11][12]。在坡度陡峭、流域面积小且响应时间短的山区，降雨径流转化速度极快，往往在数小时内就超出排水系统的承受能力，导致突发性洪水、严重的河岸侵蚀和桥梁侵蚀。仅依靠灾害地图无法有效管理此类脆弱环境；需要综合评估暴露度、脆弱性和系统性能的综合风险框架[13][14][15]。规划和建筑环境的不足可能会产生系统性风险，挑战地方政府的适应能力，并阻碍全球可持续发展目标的实现[16]。在这种情况下，确保关键基础设施的韧性成为当务之急，因为它们的失效会加剧自然灾害的社会、经济和环境破坏，削弱社区的恢复能力[17][18][19]。
在所有基础设施类别中，交通网络因其在流动性、可达性和灾害响应中的核心作用而受到特别关注[20][21][22][23][24]。然而，它们仍然是最容易受到洪水灾害影响的系统之一[25,26]。其线性几何结构、广泛的覆盖范围以及沿山谷底部和河流走廊的布局使它们既容易受到直接的水力冲击，也容易受到连锁的次级破坏。单个关键点的失效（如被侵蚀的桥墩、被淹没的地下通道或坍塌的堤坝）可能会引发整个网络的通行能力丧失[27][28][29][30]。在山区，这种脆弱性尤为突出，因为那里的冗余性有限，且往往缺乏替代路线[31]。因此，识别可以通过预防性干预措施提高系统韧性的微观脆弱点至关重要。
关于洪水与交通相互作用的研究通常通过三个相互关联的组成部分来概念化风险：1. 暴露度；2. 脆弱性；3. 可达性。暴露度量化了交通设施与易受洪水影响的走廊及预测灾害范围的空间交集[32]。脆弱性模型评估了横截面、材料、排水能力和基础类型等局部设计特征在水力负荷和碎屑冲击下的失效可能性[33][34][35][36]。可达性和功能损失分析将局部封闭转化为对旅行时间和连通性的系统影响，突出了极端事件期间的关键链接[37]。这三个相互关联的组成部分有助于在财政限制下优先考虑减灾和恢复策略[38]。
尽管这些框架强调了洪水灾害的功能后果，但它们往往忽视了决定损害发生位置和方式的形态学模式。除了灾害的强度外，地貌因素在塑造洪水损害的空间分布方面起着关键作用[39][40][41]。河流的弯曲形态、扩张段、汇流处和山谷狭窄部分等特征会集中水流能量，形成侵蚀和冲刷的热点[42]。实地观察一致表明，洪水引发的损害往往与这些形态学不规则性相对应[43,44]。因此，形态测量指标已成为数据稀缺环境中识别脆弱路段的成本效益较高的替代方法。这种方法符合需要实用决策工具来处理复杂环境中的不确定性的需求[45]。
在这方面，分形和小波分析已成为量化多尺度形态学不规则性的强大数学方法[46][47][48][49]。特别是Higuchi分形维数（HFD）算法，为评估一维数据序列的复杂性提供了有效手段，适用于基于坐标数据集的河流形态分析[50]。在此基础上，本研究通过将其嵌入滑动窗口框架中，开发了HFD的定制应用。这种新方法能够系统地检测出几何不规则性较高的“脆弱性窗口”或河道段落，这些段落通常与侵蚀和冲刷风险较高的区域重合。当这些脆弱性窗口与交通走廊在空间上重叠时，它们成为预测洪水损害热点并直接关联形态学复杂性与基础设施脆弱性的诊断工具。小波分析作为一种补充工具，可以将河流不规则性分解为不同的频率带，并揭示每个频带内的渐进变化。在不同频率下表现出高几何变异性的河流成分表明，河流形成和流动过程受到多种因素的影响，该地区的沉积物沉积[51][52][53]和流动条件[54][55][56]的变化会增加洪水期间的脆弱性。分形和小波方法的结合为山区交通走廊的洪水风险评估提供了重要框架。
土耳其东黑海地区，尤其是弗尔蒂纳河走廊，为测试所提出的框架提供了理想的案例研究[57][58]。该地区地形陡峭、降雨强度高、山谷狭窄且人口密集，是该国最易受洪水影响的区域之一[60][61][62]。该地区的交通网络通常直接沿河流铺设，防护措施不足，因此极其脆弱。过去的灾害已经凸显了堤坝侵蚀、桥梁损坏和广泛通行能力丧失的反复发生[63,64]。2025年9月20日至21日的洪水再次证实了这些脆弱性，表现为极端降雨引发的突发性洪水、大量道路封闭、桥梁倒塌以及紧急救援行动的严重中断，这些情况在国家和区域媒体上都有广泛报道[65,66]。
本研究以2025年9月的洪水作为自然实验室，探讨了河流形态与交通走廊脆弱性之间的关系。分析重点关注弗尔蒂纳河，利用损害观察结果来评估形态测量不规则性是否与实际失效位置相符。为了增强诊断的可靠性，分形分析结合了基于小波的多尺度不稳定性检测。通过吉雷松省（Giresun Province）的戈雷莱河进行了对比分析，尽管在同一事件中该地区的降雨量更大，但由于其较低的形态测量复杂性和之前的河流治理工作，基础设施损坏较轻。这一对比提供了两个重要发现：弗尔蒂纳河案例说明了几何不规则性如何加剧洪水损害，而戈雷莱河案例则展示了自然形态和工程干预如何减轻脆弱性。这些发现为将形态测量诊断与实际策略相结合以降低山区交通走廊的洪水风险奠定了基础。
